báo cáo bài tập lớn kỹ thuật siêu cao tần đề tài phân tích thiết kế mạch phối hợp trở kháng sử dụng phương pháp dâychêm

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.53 MB, 34 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ N I Ộ

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

Đề tài:

Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Khắc Ki m ể

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

YÊU CẦU ĐỀ BÀI

• Đường truyền trở kháng đặc tính 50 Ω nối với tải, hệ số phản xạ tại tải được cho trong bảng dưới đây:

STT nhóm Tần s trung tâm ố(GHz)

Hệ s ố phản xạ tải tải Điện môi trên ADS

Thiết k mế ạch phối hợp tr kháng (s dở ử ụng đồ thị Smith) t i t n sạ ầ ố đã cho sử dụng phương pháp:

a. m t dây chêm mộ ắc song song (shunt stub)

b. hai dây chêm v i kho ng cách gi a 2 dây là ớ ả ữ / 8 (gi thi t 1 dây nả ế ối ở ị trí vtải)

• Kiểm tra thi t kế ế ở bước 1 s dử ụng phần m m Advanced Design System ề(ADS) với giả thiết đây là các đường truyền vi dải (mô phỏng trên vùng băng thông 1 GHz). Vẽ mạch in c a mủ ạch PHTK và đường truyền cho biết đường truyền có t ng chi u dài t u vào t i tổ ề ừ đầ ớ ải là 2 .

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

MỤC L C Ụ

YÊU CẦU ĐỀ BÀI ...1

NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ ...2

CHƯƠNG 1. LÝ THUY T THI T K Ế Ế Ế ...4

1.1 Kỹ thuật phối hợp tr kháng s dở ử ụng dây chêm...4

1.1.1 Mục đích của phối hợp trở kháng...4

1.1.2 Các tiêu chí ph i h p tr kháng ố ợ ở ...4

1.1.3 Phối hợp tr kháng dùng m t dây chêm song song ở ộ ...4

1.1.4 Phối hợp tr kháng dùng 2 dây chêm song songở ...5

1.2 Giải thích vấn đề thi t kế ế được giao...6

CHƯƠNG 2. TÍNH TỐN VÀ THI T KẾ Ế...7

2.1 Phương pháp thiết kế m ch phạ ối hợp tr kháng s d ng dây chêm ở ử ụ ...7

2.1.1 Sử dụng m t dây chêm ộ ...7

2.1.2 Sử dụng hai dây chêm...7

2.2 Tính toán ...7

2.2.1 Phương pháp 1 dây chêm ...8

2.2.2 Phương pháp 2 dây chêm ... 12

2.3 Thiết k trên ph n m m ADS ế ầ ề ... 16

2.3.1 Phương pháp 1 dây chêm ... 16

2.3.2 Phương pháp 2 dây chêm ... 20

CHƯƠNG 3. KẾT QU VÀ TH O LU N Ả Ả Ậ ... 28

3.1 Kết qu mô phả ỏng ... 28

3.1.1 Phương pháp 1 dây chêm ... 28

3.1.2 Phương pháp 2 dây chêm ... 29

3.2 Thảo lu n ậ ... 32

KẾT LU N Ậ ... 33

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

CHƯƠNG 1. LÝ THUY T THIẾẾT K Ế

1.1Kỹ thuật phối hợp tr kháng s dở ử ụng dây chêm

Bài toán phối hợp trở kháng thường là một ph n quan tr ng c a quá trình thiầ ọ ủ ết kế hệ thống siêu cao tần. M ch ph i h p trạ ố ợ ở kháng thường là không t n hao theo lý ổtưởng và thường được thiết kế sao cho tr kháng nhìn vào m ch ph i h p tr kháng ở ạ ố ợ ởbằng tr kháng ở đường dây Z . Khi phối hợp trở kháng, thành phần tín hi u ph n x 0 ệ ả ạbị triệt tiêu.

1.1.3 Phối hợp trở kháng dùng một dây chêm song song

Phối hợp tr kháng bằng 1 đoạn dây chêm là phương pháp sử dụng một đoạn ởdây chêm ng n mắ ạch ho c hặ ở mạch kết nối song song hoặc nối tiếp với đường truyền chính m t kho ng cách nhở ộ ả ất định kể t từ ải. Ở đây ta chỉ xét đoạn dây song song như hình bên dưới. Một mạch điều chỉnh như vậy rất thuận ti n nhìn t khía ệ ừcạnh ch t o m ch cao tế ạ ạ ần. Đặc biệt dây chêm điều ch nh song song rỉ ất dễ chế tạo dưới dạng đường truy n vi dề ải hoặc đường truyền mạch dải. Hơn nữa, phương pháp phối hợp này dễ điều ch nh và có dỉ ải t n hoầ ạt động khá l n. Trong mớ ạch phối hợp trở kháng m t dây chêm, hai tham s có th ộ ố ể điều chỉnh được là kho ng cách d t tả ừ ải

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

Hình 1.1 M ch ph i h p tr kháng m t dây chêm song song ạ ố ợ ở ộ

1.1.4 Phối hợp trở kháng dùng 2 dây chêm song song

Các mạch điều chỉnh phối hợp tr kháng dùng m t dây chêm có thở ộ ể phối hợp bất c m t tr kháng tứ ộ ở ải nào (mi n là nó có ph n th c khác không) v i mễ ầ ự ớ ột đường truyền, nhưng có một nhược điểm là đòi hỏi độ dài đường truyền d giữa tải và dây chêm phải có th ể điều chỉnh được tùy theo tr kháng tở ải. Điều này có th khơng gây ểvấn đề đối với một mạch ph i hố ợp cố định nhưng sẽ có thể đặt ra m t sộ ố khó khăn nếu m t mộ ạch ph i h p tr kháng yêu c u có thố ợ ở ầ ể khả năng điều chỉnh được. Trong trường h p này, mợ ạch điều chỉnh ph i hố ợp tr kháng s d ng hai dây chêm vở ử ụ ở ị trí cố định so với t i và có chiả ều dài dây chêm điều chỉnh được. Các mạch điều ch nh ỉnhư vậy thường được chế tạo ở dạng cáp đồng trục với các dây chêm có thể điều chỉnh được nối song song với đường dây chính. Tuy nhiên, chúng ta sẽ thấy r ng ằmạch ph i h p tr kháng dùng 2 dây chêm v n ch phù h p vố ợ ở ẫ ỉ ợ ới mạch băng thông hẹp.

(a) (b)

Hình 1.2a mơ t m t mả ộ ạch phối hợp trở kháng s dử ụng 2 dây chêm, trong đó tải

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

thường g p trong thực tế hơn nhưng mạch điện của Hình 1.2b (tải ặ YL đã được chuyển đổi để đưa về vị trí của dây chêm u tiên) giúp d dàng phân tích mà vđầ ễ ẫn giữ được tính t ng quát. ổ

1.2Giải thích vấn đề thiết kế được giao

Đường truyền có trở kháng đặc tính 50 Ω được nối với t i. Hả ệ số phản x c a tạ ủ ải được cho trước 0.42e82o

 = . Tổng chi u dài tề ừ đầu vào t i tớ ải là 2. Tần s trung ốtâm 7.25 GHz.

✓ Yêu cầu 1: Sử dụng đồ thị Smith để tính tốn, thi t k mế ế ạch phối hợp tr ởkháng t i tạ ần s ố f đã cho ở trên, s dử ụng 2 phương pháp:

• Phương pháp 1: sử ụng 1 dây chêm song song có độ d dài l , dây chêm cách tải một đoạn d để phố ợp tr kháng. Ci h ở ần tính tốn để xác định giá tr cị ủa l và d trong 2 trường hợp ngắn mạch và hở mạch. • Phương pháp 2: sử ụng 2 dây chêm song song để d phối hợp trở kháng.

Trong đó dây chêm thứ nhất có độ dài l1, giả thi t dây chêm thế ứ nhất nối ở vị trí t i. Dây chêm thả ứ hai có độ dài l2. Kho ng cách gi a 2 ả ữdây chêm bằng / 8 . C n tìm ầ l và 1 l2 trong 2 trường h p ng n mợ ắ ạch và hở mạch.

✓ Yêu c u 2: Sau khi thi t k xong theo yêu c u 1, ta s dầ ế ế ầ ử ụng ph n m m ADS ầ ềđể mô phỏng, ki m tra lể ại bước tính tốn, thi t kế ế ở yêu c u 1. Giầ ả thiết đây là đường truyền vi dải và mô phỏng trên băng thông 1 GHz. Sau khi mô phỏng, vẽ mạch in của mạch ph i hố ợp tr ở kháng và đường truyền.

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT K Ế

2.1Phương pháp thiết kế mạch phối hợp tr kháng s dở ử ụng dây chêm

2.1.1 Sử d ng m t dây chêm ụ ộ

• Xác định điểm trở kháng tải chuẩn hóa ZNL.

• Vẽ đường trịn và xác định dẫn nạp chu n hóa của tải ẩ YNL (đố ứi x ng với ZNL

qua tâm)

• Di chuyển theo chiều kim đồng h (WTG) dồ ọc theo đường tròn giao với

1 jB suy ra giá tr cị ủa yd.

• Xác định d = chi u dài t ề ừYNL đến y . d

• Xác định yl tại điểm .

• Phụ thuộc dây chêm ngắn mạch hay hở mạch di chuyển tới y (theo WTG) l

• Độ dài dây chêm l = khoảng cách di chuy n ể

2.1.2 Sử d ng hai dây chêm ụ

• Xác định điểm trở kháng tải chuẩn hóa ZNL.

• Vẽ đường trịn và xác định dẫn nạp chu n hóa của tải ẩ YNL (đố ứi x ng với ZNL

Hệ s ố phản xạ tải tải Điện môi trên ADS

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

Thiết k mế ạch phối hợp tr kháng (s d ng ở ử ụ đồ thị Smith) t i t n sạ ầ ố đã cho sử dụng phương pháp:

a) m t dây chêm mộ ắc song song (shunt stub)

b) hai dây chêm v i kho ng cách giớ ả ữa 2 dây là λ/8 (giả thi t 1 dây nế ối ở vị trí tải)

2.2.1 Phương pháp 1 dây chêm

Bước 1: Xác định vị trí của h sệ ố phản xạ ứng với điểm tải trên đồ thị và vẽ đường tròn hệ số phản xạ.

Điểm tải ứng với giá tr ị trở kháng chuẩn hóa: 0.78 0.79

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

Bước 2: Di chuyển t từ ải về nguồn trên đường tròn hệ số phản x t i vạ ớ ị trí cắt đường trịn g =1 tại điểm đầu tiên là 1+j0.92( 0.16 trên WTG)

Khoảng cách d1 t từ ải về điểm đặt dây chêm là

d= − + = 

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

Bước 3: Để dây chêm m c song song ph i hắ ố ợp tr kháng, giá tr d n nở ị ẫ ạp dây chêm gây ra tại điểm đặt dây chêm là −j0.92(0.382 trên WTG)

Đối với dây chêm ng n mắ ạch, chi u dài dây chêm s bề ẽ ằng đoạn đi về phía tải t ừđiểm dây chêm có d n nẫ ạp bằng −j0.92về điểm d n n p ngẫ ạ ắn mạch ( 0.25 trên WTG)

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

Khoảng cách d2 t từ ải về điểm đặt dây chêm là

d = − + = 

Bước 5: Để dây chêm m c song song ph i hắ ố ợp trở kháng, giá trị d n nẫ ạp dây chêm gây ra tại điểm đặt dây chêm là +j0.92 (0.118 trên WTG).

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

Đối với dây chêm ng n mắ ạch, chi u dài dây chêm s bề ẽ ằng đoạn đi về phía tải t ừđiểm dây chêm có d n nẫ ạp bằng +j0.92 về điểm dẫn nạp ng n mắ ạch ( 0.25trên WTG)

2.2.2 Phương pháp 2 dây chêm

Bước 1: Xác định vị trí điểm tải trên đồ thị Smith d n nẫ ạp. Tương tự phương pháp 1 dây chêm, ta xác định được vị trí tải YNL=0.63−j0.64 ( 0.386 trên WTG).

Bước 2: Di chuyển đường trịn g =1 về phía tải một đoạn d=/ 8. Xác định giao điểm giữa đường tròn này với đường tròn đẳng g =0.63. Mỗi giao điểm sẽ xác định một giá tr c a dây chêm ị ủ l1.

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

• Giao điểm thứ nhất: YLA1=0.63+j0.08( 0.02 trên WTG). Để phối hợp trở kháng, đoạn l1 phải tạo ra dẫn nạp bằng j0.08 (− −j0.64)=j0.72( 0.098 trên WTG).

Đối với dây chêm l1ngắn mạch. Di chuy n t ể ừ j0.72 theo chi u về ề phía tải tới điểm dẫn nạp ngắn mạch ( 0.25trên WTG).

0.098 0.25 0.348

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

Đối với dây chêm l1 hở m ch. Di chuyạ ển t ừ j0.72 theo chi u về ề phía tải về điểm dẫn nạp h mở ạch ( 0trên WTG).

1 0.098

l = 

• Giao điểm thứ hai: YLA2=0.63+j1.91(0.179 trên WTG). Để phối hợp trở kháng, đoạn l1 phải tạo ra dẫn nạp bằng j1.91 (− −j0.64)=j2.55( 0.189 trên WTG).

Đối với dây chêm l1ngắn m ch. Di chuy n theo chi u v phía t i t ạ ể ề ề ả ừ điểm j2.55

tới điểm dẫn nạp ngắn mạch ( 0.25trên WTG).

1 0.189 0.25 0.439

l= + = 

Đối với dây chêm l1 hở m ch. Di chuy n theo chi u vạ ể ề ề phía tải từ điểm j2.55

tới điểm dẫn nạp hở mạch ( 0 trên WTG).

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

Đối với dây chêm l2 ngắn mạch. Di chuy n theo chi u vể ề ề phía tải t ừ −j0.47 tới điểm dẫn nạp ngắn mạch ( 0.25trên WTG).

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

Đối với dây chêm l2 ngắn m ch. Di chuy n theo chi u vạ ể ề ề phía tải t ừ j2.4 tới điểm dẫn nạp ngắn mạch ( 0.25trên WTG).

2.3Thiết kế trên phần m m ADS ề

2.3.1 Phương pháp 1 dây chêm

Bảng 2.1 Các thông s cho cáố c phương án sử dụng một dây chêm

Phương án Loại dây chêm Khoảng cách t i tớ ải d Chiều dài dây chêm l Đơn vị  Đơn vị mm Đơn vị  Đơn vị mm

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

Bảng 2.2 Các thông s cố hung cho các phương án sử dụng một dây chêm

Thiết k mế ạch nguyên lý trên ADS:

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

Hình 2.2 Phương án một dây chêm s 2 ố

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

Hình 2.4 Phương án một dây chêm s 4 ố

Thiết k mế ạch in:

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

Hình 2.7 Phương án một dây chêm s 3 ố

2.3.2 Phương pháp 2 dây chêm

Bảng 2.3 Các thông s cho các ố phương án thiết k hai dây chêm ế

Phương án

Loại dây chêm l1

Loại dây chêm l2

Chiều dài dây chêm

Đơn vị

mm

Đơn vị 

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

Bảng 2.4 Các thông s ố chung cho các phương án thiết kế hai dây chêm

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

Hình 2.10 Phương án hai dây chêm s 2 ố

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

Hình 2.12 Phương án hai dây chêm s 4 ố

</div>Trang 25<div class="page_container" data-page="25">

Hình 2.14 Phương án hai dây chêm s 6 ố

</div>Trang 26<div class="page_container" data-page="26">

Hình 2.16 Phương án hai dây chêm s 8 ố

Thiết k mế ạch in:

</div>Trang 27<div class="page_container" data-page="27">

Hình 2.19 Phương án hai dây chêm s 3 ố

</div>Trang 28<div class="page_container" data-page="28">

Hình 2.22 Phương án hai dây chêm s 6 ố

</div>Trang 29<div class="page_container" data-page="29">

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LU N Ậ

3.1Kết quả mô phỏng

3.1.1 Phương pháp 1 dây chêm

</div>Trang 30<div class="page_container" data-page="30">

Hình 3.3 Phương án một dây chêm s 3 ố

3.1.2 Phương pháp 2 dây chêm

</div>Trang 31<div class="page_container" data-page="31">

Hình 3.6 Phương án hai dây chêm số 2

</div>Trang 32<div class="page_container" data-page="32">

Hình 3.9 Phương án hai dây chêm số 5

</div>Trang 33<div class="page_container" data-page="33">

Hình 3.12 Phương án hai dây chêm số 8

3.2Thảo luận

• Điểm dấu (marker) được đặt đúng chỗ chưa? Điểm marker đã đặt đúng tần s 7.25 ố GHz. • Kết quả mô ph ng phù hỏ ợp chưa?

Các k t quế ả mô phỏng đã phù hợp.

• Các chú thích c a k t quủ ế ả được chỉ thị rõ ràng khơng? Các chú thích đã rõ ràng.

• Các vấn đề chính của đề bài có được giải thích rõ ràng khơng? Các vấn đề chính đã được nêu đầy đủ.

• Các k t quế ả có đảm bảo tiêu chuẩn đề ra không? Các kết quả đã đảm bảo tiêu chuẩn.

• Nếu câu trả l i là có hoờ ặc khơng, đã có những khảo sát về lý do dẫn đến kết quả đó khơng?

Sau khi th c hi n mô phự ệ ỏng và thu được kết quả là hệ số phản xạ tại t i nhả ỏ nhất ở tần số 7.25 GHz, nhóm em đã thử thay đổi một số thơng số như khoảng cách giữa 2 dây chêm, kho ng cách gi a dây chêm và tả ữ ải, độ dài dây chêm và nhận thấy mạch không còn ph i hố ợp tr kháng nở ữa.

</div>Trang 34<div class="page_container" data-page="34">

KẾT LU N Ậ

• Có kết luận về mục tiêu thi t kế ế đã được thực hiện chưa?

Các mục tiêu thi t kế ế đã được thực hiện.

• Tăng cường ki n thế ức về lý thuyết thông qua n i dung thi t kộ ế ế này?

Nhóm em đã thành thạo với phương pháp thiết kế mạch phối hợp trở kháng s ửdụng 1 dây chêm, 2 dây chêm và các thi t kế ế, mô phỏng trên phần m m ADS. ề• Các đề xuất và hướng giải quyết trong tương lai?

Định hướng ti p theo, nhóm em s tìm hi u vế ẽ ể ề cơng cụ EM Simulation để có thể mơ phỏng mạch m c thi t kở ứ ế ế m ch in thay vì hi n t i m i ch dạ ệ ạ ớ ỉ ừng lại ở mức mạch nguyên lý.

</div>